機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

1、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)1機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的一般模式機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的對(duì)象千差萬(wàn)別，檢測(cè)的目的也不盡相同。 農(nóng)產(chǎn)品如柑橘、玉米等通常是檢測(cè)其成熟度，大小，形態(tài)等，工業(yè)產(chǎn)品如工業(yè)零件，印刷電路板通常是檢測(cè)其幾何尺寸，表面缺陷等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，就需要采用不同的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法。如有的檢測(cè)對(duì)精度要求高，就需要選擇高分辨率的影像采集裝置；有的檢測(cè)需要產(chǎn)品的彩色信息，就需要采用彩色的影像采集裝置。 正是由于不同檢測(cè)環(huán)境的特殊性，目前世界上還沒(méi)有一個(gè)適用于所有產(chǎn)品的通用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。雖然各個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)采用的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法差異很大，但其檢測(cè)的一般模式卻是相同的。 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的一般模式是首先通過(guò)光學(xué)成像和圖像采集

2、裝 置獲得產(chǎn)品的數(shù)字化圖像，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理得到相關(guān)檢測(cè)信息，形成對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的判斷決策，最后將該決策信息發(fā)送到分揀裝置，完成被測(cè)產(chǎn)品的分揀。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的一般模式如圖 1所示：1.1圖像獲取圖像獲取是機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的第一步， 它影響到系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性。 圖像的獲取 實(shí)際上就是將被測(cè)物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)處理的圖像數(shù)據(jù)。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)一般利用光源， 光學(xué)鏡頭，相機(jī)，圖像采集卡等設(shè)備獲取被測(cè)物體的數(shù)字化圖像。1.2視覺(jué)檢測(cè)視覺(jué)檢測(cè)通過(guò)圖像處理的方法從產(chǎn)品圖像中提取需要的信息，做出決策并發(fā)送相應(yīng)消息到分揀機(jī)構(gòu)。通常這部分功能由機(jī)器視覺(jué)軟件來(lái)完成。優(yōu)秀的機(jī)器視覺(jué)軟件可

3、對(duì)圖像中的目標(biāo)特征進(jìn)行快速準(zhǔn)確地檢測(cè)，并最大限度地減少對(duì)硬件系統(tǒng)的依賴(lài)性，而算法設(shè)計(jì)不夠成熟的機(jī)器視覺(jué)軟件則存在檢測(cè)速度慢，誤判率高，對(duì)硬件依賴(lài)性強(qiáng)等特點(diǎn)。 在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中視覺(jué)信息的處理主要依賴(lài)于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)，數(shù)據(jù)編碼和傳輸，平滑，邊緣銳化，分割，特征提取，目標(biāo)識(shí)別與理解等內(nèi)容。1.3分揀對(duì)于一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)而言，最終是要實(shí)現(xiàn)次品（含不同種類(lèi)的次品）與合格品的分離即分 揀，這部分功能由分揀機(jī)構(gòu)來(lái)完成。分揀是機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的最后一個(gè)也是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán) 節(jié)"對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，分揀機(jī)構(gòu)可以是機(jī)電系統(tǒng)！液壓系統(tǒng)！氣動(dòng)系統(tǒng)中的某一種。但無(wú)論是哪一種，除了其加工制造和裝配精度

4、要嚴(yán)格保證以外，其動(dòng)態(tài)特性，特別是快速性和穩(wěn)定性也十分重要，必須在設(shè)計(jì)時(shí)予以足夠的重視。2機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括光源、光學(xué)鏡頭、數(shù)字相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理模塊、分揀機(jī)構(gòu)等部份。其構(gòu)成如圖2所示。圖2典型的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)3光源在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中， 合適的光源與照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，它并不是簡(jiǎn)單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對(duì)比度；同時(shí)還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。光源的選擇必須符合所需的幾何形

5、狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光 效率和使用壽命。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。對(duì)于反射光情況應(yīng)充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對(duì)位置、物體表面的紋理，物體的幾何形狀、背景等要素。3.1光源的分類(lèi)及其特性光源可分為自然光源和人造光源兩類(lèi)。自然光源使用不方便且其發(fā)光特性不容易控制， 一般不適合用作圖像采集系統(tǒng)的照明光源。機(jī)器視覺(jué)一般使用人造光源，常用的有：鹵素?zé)簦ㄗ鳛槎ㄏ蚬庠矗?、熒光燈（作為低成本的漫射光源）、LED燈、氛燈和電致發(fā)光管。 表1列出了幾種主要光源的相關(guān)特性光源顏色壽命/h發(fā)光亮度特點(diǎn)鹵素?zé)?白色、偏黃5000-7000很亮發(fā)熱多，較便宜熒光燈

6、白色、偏黃5000-7000亮較便宜LED燈紅黃綠白藍(lán)等60000-100000較亮發(fā)熱少，固體氙燈白色，偏藍(lán)3000-7000亮發(fā)熱多，持續(xù)光電致發(fā)光管由發(fā)光頻率決定5000-7000較亮發(fā)熱少，較便宜在光源選擇方面LED光源尤其值得注意。機(jī)器還四絕系統(tǒng)穩(wěn)定工作的必要條件就是： 在外部條件不斷變化（外部光噪聲，目標(biāo)的傾斜，材質(zhì)和系統(tǒng)類(lèi)型的變化）的情況下，持續(xù) 獲得對(duì)比鮮明的圖像。 而LED光源則是滿(mǎn)足這個(gè)條件的理想光源，這是因?yàn)長(zhǎng)ED光源具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：1、形狀自由；2、使用壽命長(zhǎng)；3、響應(yīng)時(shí)間短；4、顏色自由；5、綜合 成本低。3.2光源的照射方式光源的照射方式有前光照、背光照、分光反

7、照三種方式。4、光學(xué)鏡頭相機(jī)的鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體。如果沒(méi)有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒(méi)有鏡頭，相機(jī)就無(wú)法輸出圖像。 在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中， 鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)聚焦在圖像傳 感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直接影響到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的整體性能，合理選擇并安裝鏡頭， 是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。一般情況下，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的鏡頭可進(jìn)行如下分類(lèi)：按焦距分類(lèi)：廣角鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長(zhǎng)焦鏡頭等；按調(diào)焦方式分類(lèi)：手動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)調(diào)焦等；按光圈分類(lèi)：手動(dòng)光圈、自動(dòng)光圈。4.1鏡頭的基本結(jié)構(gòu)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中采用的鏡頭一般由一組透鏡和光闌組成。4.2鏡頭的接口在機(jī)器視覺(jué)中，光學(xué)鏡頭常用的接口為 C型和CS型。C型

8、和CS型接口均是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接 口。其旋合長(zhǎng)度、制造精度、靠面尺寸及后截距（即安裝基準(zhǔn)面至像面的空氣光程）公差均應(yīng)符合相關(guān)要求。4.3鏡頭的性能指標(biāo)鏡頭主要有以下幾個(gè)性能指標(biāo)：1、焦距2、分辨率3、視場(chǎng)角4、光譜特性5、數(shù)字相機(jī)目前數(shù)字相機(jī)所采用的傳感器主要有兩大類(lèi) :CCD 和 CMOS" 其中 CMOS 傳感器由于存 在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低、反應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍較窄。目前在機(jī) 器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中， CCD 相機(jī)因其具有體積小巧、性能可靠、清晰度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛 使用。5.1、CCD 相機(jī)的基本組成典型的 CCD 相機(jī)主要由 CCD 、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、電子

9、接口電路、光學(xué)機(jī)械接 口等構(gòu)成。5.2、CCD 相機(jī)的相關(guān)特性參數(shù)CCD 相機(jī)的相關(guān)特性參數(shù)主要有以下幾個(gè)：1、最低照度CCD 相機(jī)的最低照度與所使用鏡頭的最大相對(duì)孔徑有關(guān)， 在提供相機(jī)最低照度的同時(shí)， 應(yīng)注明測(cè)試時(shí)所使用鏡頭的相對(duì)孔徑。2、固定圖像噪聲當(dāng)不采用曝光控制時(shí) ,轉(zhuǎn)移柵結(jié)構(gòu)的非一致性將導(dǎo)致柵極點(diǎn)位的微小變化。同時(shí)，柵極 限制電阻也使柵極電位產(chǎn)生了微小變化， 從而使光電二極管在每一積分周期的開(kāi)始產(chǎn)生微小 的電位差。因?yàn)闁艠O結(jié)構(gòu)的特性是固定的,因此這些微小的電位差稱(chēng)為 /固定圖像噪聲，當(dāng)采用曝光控制時(shí)， 光電二極管的初始電位由復(fù)位管的基極決定。 如果基極電位較先前的電位有 所提高， 則

10、將會(huì)引入一定量的電荷。 即使在零照度條件下， 這些電荷也會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)移柵傳輸于 CCD 寄存器。這并不是主要問(wèn)題，因?yàn)榭梢院苋菀椎貜妮敵鲂盘?hào)中去除直流信號(hào)。但是， 轉(zhuǎn)移柵的非一致性將會(huì)產(chǎn)生直流偏置， 且這一偏置在像素與像素間并不相同， 從而使固定圖 像噪聲提高了。固定圖像噪聲可通過(guò)非均勻性校正電路或采用軟件方法進(jìn)行校正。3、分辨率分辨率是 CCD 相機(jī)的最為重要的性能參數(shù)之一，主要用于衡量相機(jī)對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié) 的分辨能力。5.3CCD 相機(jī)的分類(lèi)按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)， CCD 相機(jī)有著多種分類(lèi)方式。 按成像色彩劃分，可分為彩色相機(jī)和黑白相機(jī)。 按掃描制式劃分，可分為線(xiàn)掃描和面掃描兩種方式。其中，面掃描 CCD 相機(jī)又可分為 隔行掃描和逐行掃描。按分辨率劃分 ,像素?cái)?shù)在 38萬(wàn)以下的為普通型 ,像素?cái)?shù)在 38 萬(wàn)以上的為高分辨率型 ;按 CCD 光敏面尺寸大小劃分 ,可分為 1/4、 1/3、 12/、 1 英寸相機(jī)。2.6 圖像采集卡圖像采集卡是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分,其主要功能是對(duì)相機(jī)所輸出的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集 ,并提供與 PC 的高速接口。與用于多媒體領(lǐng)域的圖像采集卡不同， 適用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像采集卡需實(shí)時(shí)完成高 速、大數(shù)據(jù)量的圖像數(shù)據(jù)處理， 因而具有完全不同的結(jié)構(gòu)。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像采集卡 必須與相機(jī)協(xié)調(diào)工作， 才能完成特定的圖像采集任務(wù)。 除完成常規(guī)的 AD/